Top Banner
Final Report WP4 – Comparison between natural and synthetic polymers CeficLRI ECO52 project Sponsor European Chemicals Industry Council (Cefic) Authors Dr. Stefan Hahn Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine (ITEM) NikolaiFuchsStrasse 1, 30625 Hannover, Germany [email protected] Dr. Dieter Hennecke Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology (IME) Auf dem Aberg 1, 57392 Schmallenberg, Germany [email protected] Date: May 2022
36

Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

May 07, 2023

Download

Documents

Khang Minh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Final Report  

WP4 – Comparison between natural and synthetic 

polymers Cefic‐LRI ECO52 project

Sponsor

European Chemicals Industry Council (Cefic)

Authors 

Dr. Stefan Hahn 

Fraunhofer  Institute  for  Toxicology  and 

Experimental Medicine (ITEM)  

Nikolai‐Fuchs‐Strasse  1,  30625  Hannover, 

Germany 

[email protected] 

Dr. Dieter Hennecke 

Fraunhofer  Institute  for Molecular  Biology 

and Applied Ecology (IME) 

Auf  dem  Aberg  1,  57392  Schmallenberg, 

Germany 

[email protected] 

Date: May 2022 

Page 2: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 2 of 36 

Page 3: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 3 of 36 

Content Acronyms and Abbreviations .................................................................................................................. 4 

1  Introduction and objectives ............................................................................................................ 5 

2  Types of polymers ........................................................................................................................... 7 

2.1  Natural polymers ..................................................................................................................... 8 

2.2  Modified biopolymers ............................................................................................................. 9 

2.3  Synthetic polymers .................................................................................................................. 9 

2.4  Summary................................................................................................................................ 10 

3  Specific standardized methods for testing degradability of plastics and polymers ...................... 11 

3.1  Weathering ............................................................................................................................ 12 

3.2  Freshwater ............................................................................................................................. 12 

3.3  Soil ......................................................................................................................................... 13 

3.4  Marine environment ............................................................................................................. 13 

3.5  Combination of weathering and biodegradation .................................................................. 15 

3.6  Summary................................................................................................................................ 15 

4  Fate of polymers in the environment ............................................................................................ 17 

4.1  Polymers in the environment ................................................................................................ 17 

4.2  Distribution and Degradation pathway of particulate polymer substances ......................... 18 

4.3  Degradation data ................................................................................................................... 19 

4.3.1  Natural polymers ........................................................................................................... 20 

4.3.2  Modified biopolymers ................................................................................................... 22 

4.3.3  Synthetic polymers ........................................................................................................ 22 

4.3.4  Examples for comparison of degradation data ............................................................. 23 

4.3.5  Summary ........................................................................................................................ 24 

5  Comparison natural and synthetic polymers ................................................................................ 25 

6  Conclusion ..................................................................................................................................... 28 

7  Acknowledgements ....................................................................................................................... 30 

8  References ..................................................................................................................................... 31 

Annex: Degradation data ...................................................................................................................... 36 

Page 4: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 4 of 36  

 

Acronyms and Abbreviations 

DegT50  Degradation time 50 

DT50  Disappearance time 50 

ISO  International Organization for Standardization 

MP  Microplastics 

NP  Nanoplastics 

OECD  Organization for Economic Co‐operation and Development 

P  persistent 

PAM  Cationic polyacrylamide copolymers 

PBS  Polybutylensuccinat 

PBSA  Poly(butylene succinate‐co‐butylene adipate) 

PBT  persistent, bioaccumulative, toxic 

PCL  Polycaprolactone 

PE  Polyethylene 

PEG  Polyethyleneglycols 

PET  Poly(ethylene terephthalate) 

PHB  Poly(3‐hydroxybutyrate) 

PHBV  Poly(3‐hydroxybutyrate‐co‐3‐hydroxyvalerate) 

PLA or PLLA  Polylactic acid 

PQ  Polyquaternium 

PP  Polypropylene 

PS  Polystyrene 

PVC  Poly(vinyl chloride) 

PVA  Poly(vinyl alcohol) 

PVP  Poly(vinyl pyrrolidone) 

RAC  Risk Assessment Committee 

UVCB  Substances of unknown or variable composition, complex reaction products 

or biological materials 

vP  very persistent 

vPvB  very persistent, very bioaccumulative 

 

Page 5: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 5 of 36  

 

1 Introduction and objectives 

Polymers1 are “a class of natural or synthetic substances composed of very  large molecules, called 

macromolecules, that are multiples of simpler chemical units called monomers”. According to IUPAC2 

polymers are: "Substances composed of macromolecules, very large molecules with molecular weights 

ranging from a few thousand to as high as millions of grams/mole.” And OECD3 defines a polymer as: 

“A 'POLYMER' means a substance consisting of molecules characterized by the sequence of one or more 

types of monomer units and comprising a simple weight majority of molecules containing at least three 

monomer units which are covalently bound to at least one other monomer unit or other reactant and 

consists  of  less  than  a  simple weight majority  of molecules  of  the  same molecular weight.  Such 

molecules must be distributed over a range of molecular weights wherein differences in the molecular 

weight are primarily attributable to differences in the number of monomer units. In the context of this 

definition a 'MONOMER UNIT' means the reacted form of a monomer in a polymer." 

A similar definition as published by OECD is also used under REACH. In accordance with REACH (Article 

3(5)), a polymer is defined as a substance meeting the following criteria (ECHA, 2012):  “... 

(a) Over 50 percent of the weight for that substance consists of polymer molecules; and, 

(b) The amount of polymer molecules presenting the same molecular weight must be less than 50 

weight percent of the substance.  

In the context of this definition: a "polymer molecule" is a molecule that contains a sequence of at 

least 3 monomer units, which are covalently bound to at least one other monomer unit or other 

reactant. …” 

In  addition, polymers make up many of  the materials  in  living organisms.  These  so‐called natural 

polymers  are  for  example,  cellulose,  chitin,  protein,  carbohydrates  such  as  starches  etc.  Natural 

polymers are regarded as no concern for the environment. Natural polymers are integral parts of the 

environment and though they might not meet current regulatory requirements, e.g. with regard to 

degradability, it is proven that they don´t accumulate there over time.  

In this report it will be evaluated how natural polymers behave under standard laboratory degradation 

conditions and providing potential benchmarks for man‐made polymers. Further, the similarities and 

differences between natural and synthetic polymers are  in  the  focus. The available  information on 

degradation  of  some  natural  and  synthetic  polymers  under  different  conditions  are  compared, 

whereby literature data are preferred using standardized testing methods, and which compares the 

degradation potential of different polymer sources using the same method.  

The following questions are considered: 

Which are the mechanisms to break down natural or synthetic polymers under environmental 

conditions? 

Can results from standard ready biodegradability tests or simulation tests for these substance 

groups be extrapolated to real environmental conditions, and  is this different for natural vs 

synthetic polymers? Which adaptations are necessary? 

Is  the bioavailability  (or  surface area)  as most  important  factor  influencing  test  results on 

degradation different for natural vs synthetic polymers? 

How this matches with the protection goal and criteria for the persistence framework. 

                                                            

1 https://www.britannica.com/science/polymer 2 https://iupac.org/polymer‐edu/what‐are‐polymers 3 http://www.oecd.org/env/ehs/oecddefinitionofpolymer.htm 

Page 6: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 6 of 36  

 

 

This document is part of a series of reports produced as part of the Cefic‐LRI ECO52 project: ‘Expanding 

the  conceptual  principles  and  applicability  domain  of  persistence  screening  and  prioritization 

frameworks, including single constituents, polymers, and UVCBs.’   

Page 7: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 7 of 36  

 

2 Types of polymers 

Generally,  polymeric  substances  and materials  can  be  grouped  on  their  chemistry  or  structure. 

Structural descriptors  are  for example  chemical  formula, degree of  substitution,  tacticity, weight‐

average molecular weight (Mw), polydispersity, number‐average molecular weight (Mn), and reactive 

functional  groups  (ECETOC,  2020). Main  types  of  polymers  are  Polyolefine,  Polyester,  Polyether, 

Polyurethane, etc.. However, even one class of substance such as Polyethylene (PE) could be divided 

in several sub‐groups such as low density PE (LDPE) or high‐density PE (HDPE) with significant different 

properties (Andrady, 2017). 

Another option to categorize the polymers is based on morphological descriptors (e.g. physical state, 

shape,  degree  of  crystallinity,  particle  size,  etc)  or  on  physico‐chemical  properties  (e.g.  water 

solubility, viscosity / melt‐flow index / glass transition temperature, density, etc.). 

Overall, the nature of a polymer product having multiple components drives the determination of all 

structural and morphological descriptors and physico‐chemical properties of polymers (ECETOC, 2020). 

Finally, polymers can roughly be divided into fossil‐based and bio‐based polymers, i.e. polymers for 

which  bioresources  have  been  used  for  manufacturing.  Bioplastics  are  either  bio‐based  or 

biodegradable, or both (European Bioplastics, 2018), which can be illustrated in a material coordinate 

system of plastics as given in Figure 1. An additional group are natural polymers or biopolymers, i.e. 

polymers which are made in nature. These natural polymers are expected to be biodegradable under 

environmental conditions, and thus are mostly part of the group of biodegradable bioplastics.  

 

 Figure 1: Material coordinate system of plastics according to European Bioplastics (2018) 

 

Page 8: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 8 of 36  

 

2.1 Natural polymers 

Polymers exist  in nature as well. These so‐called natural polymers  (or biopolymers)  include natural 

rubber,  cellulose,  hemicellulose,  starch,  lignin,  chitin,  cutin.  Sometimes  they will  be  used  as  food 

additive  such as glucomannan, agar, pectin,  inulin,  rosin, guar gum,  locust bean gum, gum acacia, 

karaya gum, gum tragacanth, alginates, carageenans, psyllium and xanthum gum.  

Some examples for natural polymers and their source and structural and/or morphological descriptors 

are given in the following (not exhaustive): 

Starch (Kögel‐Knabner, 2002; Polman et al., 2020):  

‐ produced by most green plants for energy storage, and (major) ingredient in wheat, potatoes, 

maize (corn), and rice. 

‐ polysaccharide; branched amylopectin and linear amylose chains; weak α‐glycosidic bonds 

‐ granular shape, alternating amorphous and semi crystalline layers  

‐ white, tasteless and odorless powder; insoluble in cold water or alcohol 

Cellulose (Klemm et al., 2005; Polman et al., 2020): 

‐ plant cell walls 

‐ polysaccharide  (C6H10O5)n;  stronger  β‐glycosidic  linkages;  linear  chain  with  degree  of 

polymerization (DP) values of several hundred to many thousand depending on the origin and 

treatment  

‐ crystalline (but small fraction amorphous) 

‐ tasteless and odourless; hydrophilic; insoluble in water and most organic solvents 

Lignin (Datta et al., 2017; Polman et al., 2020): 

‐ plant cell walls, especially in wood and bark 

‐ consists of the aromatic coniferyl, coumaryl and sinapyl alcohols, bound together by C‐O‐C or 

C‐C linkages; about 50% of these are the β‐O‐4 aryl ether type  

‐ amorphic three-dimensional polymer ‐ insoluble 

Cutin (Briggs, 1999; Riederer and Schonherr, 1988): 

‐ component of the plant cuticle 

‐ composed of various  characteristic  long‐chain  (C16 and C18) alkanoic acids  (most of  them 

saturated) substituted by hydroxy, carbonyl, and epoxy groups; polyester polymer consisting 

of omega hydroxy acids and their derivatives  

‐ lipid, waxy polymer 

‐ insoluble in organic solvents; water resistant (hydrophob, lipohilic) 

Natural rubber 

‐ elastomer made from latex, a sticky, milky tree sap 

‐ cis‐1,4‐polyisoprene; allylic C‐H bonds in each repeat unit 

‐ strain crystallization 

‐ not easily soluble 

Overall, natural polymers  could  have  different  structural  linkages  and  a high  variety of molecular 

weights. Often they are polysaccharides or its derivatives with weak α‐glycosidic bonds or stronger β‐

glycosidic linkages. The biopolymers could exist crystalline, semi‐crystalline or amorphous, are often 

insoluble, and can be hydrophilic but also hydrophobic. Thus different structural and morphological 

descriptors  and  physico‐chemical  properties  can  be  assigned.  Based  on  these  descriptors  and 

Page 9: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 9 of 36  

 

properties, some polymers are expected to be hydrolytically more stable than others, and it is obvious 

that they will have different potential for (bio)degradation. 

2.2 Modified biopolymers 

Natural  polymers  are  often  modified  to  get  higher  stability  for  (industrial)  uses.  These  type  of 

bioplastics are produced from a range of natural resources, such as corn, cassava, cotton linters, or flax 

fibres, and agricultural by‐products such as rice straw (Polman et al., 2020). The structure resemble 

the biopolymers they are based on. 

Commonly used modified biopolymers are for example thermoplastic starch (TPS), cellulose acetate 

(CA) and lignin‐based polymers (Polman et al., 2020). 

Thermoplastic starch and starch blends:  

Starch is renewable, cheap, and abundantly available biopolymer. However, the intermolecular forces 

and hydrogen bonds in starch resist it to be processed as a thermoplastic material (Khan et al., 2017). 

To overcome this issue, starch will be modified to get a material called thermoplastic starches (TPSs). 

During  the TPS production process starch  loses  its natural granular shape and crystalline structure 

(Polman et al., 2020). This process of destructuration is achieved by exposing starch grains to heat and 

shear  in  combination  with  the  addition  of  a  plasticizer.  The  plasticizer  breaks  and  replaces  the 

hydrogen bonds between the starch polymers, which enables the polymer chains to move more freely 

(Nafchi et al., 2013; Polman et al., 2020). 

Starch blends are often mentioned  in  the  literature as well. These are usually blends of TPS with 

traditional polymers. These were prepared in efforts to obtain new materials with low cost and high 

biodegradability  (Kaseem et al., 2012). Please note,  these are also blends with non‐biodegradable 

polymers such as PE, PP or PS, but also biodegradable polymers such as polylactic acid (PLA) will be 

used. 

Cellulose acetate 

Cellulose acetate  (CA)  is an organic polyester produced by  the acetylation of  cellulose  fibres  from 

different plant residues such as rye, rice straw, cotton, wheat or wood  fibre  (Polman et al., 2020). 

During the acetylation, a hydrogen atom in the cellulose is replaced with an acetyl group. The extent 

to which substitution takes place is called the degree of substitution (DS), which is the amount of acetyl 

groups per monomer (Haske‐Cornelius et al., 2017). The DS has a significant influence on the properties 

of CA, and probably also on the potential for biodegradation. 

Lignin‐based polymers: 

Lignin  is  subject  to  condensation  reactions  under  high  temperatures,  which  gives  the  material 

thermosetting properties  (Polman  et  al., 2020). At  the moment,  a  first  generation of  lignin‐based 

thermoplastics  is commercially available  (Wang et al., 2016), which consists of  lignin, cellulose and 

natural additives. In addition, lignin containing fibres are used in other bioplastics such as TPS. 

2.3 Synthetic polymers 

Synthetic polymers are intentionally produced as such in factory to take advantage of their properties 

during use. They could be fossil‐based or bio‐based. If the identical synthetic polymer is manufactured 

from either natural sources or from petroleum, the same biodegradability is expected due to the same 

chemical properties.  

Page 10: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 10 of 36  

 

The synthetic polymers cover a wide range of structural possibilities. These could be carbohydrates 

polymers  such  as  polyolefines  (PE,  PP),  or  polystyrol  (PS),  but  also  with  heteroatoms,  such  as 

polyvinylchloride  (PVC),  polyesters  such  as  polyethyleneterephthalate  (PET),  polyether,  polyamide 

such as Nylon 6, etc.  

Plastic materials have a wide range of densities (0.01 to 2.3 g/cm3; (Duis and Coors, 2016), although it 

is  worth  noting  that  densities  of  plastic  items  can  be modified  by  additives  and  environmental 

processes  such  as  weathering  and  fouling.  Although  the majority  of  polymers  (e.g.  plastics)  are 

immiscible  in  water,  there  are  some  water  soluble  polymers  such  as  Polyethyleneglycols  [PEG], 

Poly(vinyl alcohol) [PVA] or Poly(vinyl pyrrolidone) [PVP], anionic homo‐ and copolymers of acrylic acid, 

and cationic polyquaterniums [PQs] (Bernhard et al., 2008; Duis et al., 2021; Eubeler, 2010).  

Finally, there are also synthetic polymers on the market which are assumed to be biodegradable such 

as  the  polyesters  polyhydroxyalkanoates  (PHAs),  of  which  polyhydroxybutyrate  (PHB)  is  most 

commonly used, polylactic acid (PLA), polycaprolactone (PCL), or polybutylene succinate (PBS). PHA 

are also biopolymers, but made in factory as well.  

2.4 Summary 

Several  types  of  polymers  are  on  the market,  and  different  possibilities  exist  to  categorize  these 

polymers. Besides  the grouping based on structural, morphological properties, or physico‐chemical 

properties, the polymers could be grouped based on the source: natural polymers (or biopolymers), 

modified biopolymers, or synthetic polymers. Another option is to (sub)group the synthetic polymers 

into bio‐based or fossil‐based polymers. Finally, the polymers could be grouped into biodegradable or 

not biodegradable.  

 

Figure 2: Grouping of polymers (assumed to be biodegradable (green), not biodegradable (red), partly biodegradable (orange) 

 

Page 11: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 11 of 36  

 

3 Specific  standardized  methods  for  testing  degradability  of  plastics  and polymers 

Recommended OECD guidelines for measurement of biodegradability were developed to assess small, 

soluble molecules,  and  not  developed  to measure  the  biodegradation  of  polymers.  Polymers  are 

usually  not  used  in  interlaboratory  validation  studies  for  those  guidelines  nor  are  polymers 

recommended as reference substances. Further validation needs to be undertaken and appropriate 

reference  substances  (e.g.  natural  polymers  such  as  cellulose  as  performance  benchmarkers)  are 

required if such tests should get any value in assessing the persistence of polymers. It is recognized 

that sometimes information on conditions how to apply solid materials is given, for example in OECD 

301 Annex III (OECD, 1992) “it  is recommended that solid materials be homogenised by appropriate 

means  to  avoid  errors  due  to  non‐homogeneity”.  However,  for  polymers  more  detailed 

recommendations  on  preparation  methods  and  assessment  of  influence  of  particle  size  after 

homogenisation is required.  

In  recent  years  several  specific  standard  protocols  have  been  adapted  or  developed  for 

(bio)degradability testing of plastic materials. These specific standards have already been reviewed in 

several reports and articles (Briassoulis and Dejean, 2010; ECETOC, 2020; ECHA, 2020; Eubeler, 2010; 

Eubeler et al., 2009; Kjeldsen et al., 2019; Ruggero et al., 2019). The available standards are mainly ISO 

or ASTM guidelines, which are often to a large extent identical and very similar.  

With focus on ISO guidelines the relevant guidelines are: 

Specific guidance for test sample preparation is given in ISO 10210 (ISO, 2012). 

Guidance to calculate the mineralization rate considering specific surface area is given in ISO 

5148 (ISO, 2021a). 

ISO/TS  19022  (ISO,  2016b)  presents  a  method  of  controlled  acceleration  of  laboratory 

weathering by increased irradiance. Changes in colour can be determining using ISO 4582 (ISO, 

2017); tensile properties can be determined using ISO 527 (ISO, 2019a). Chemical changes are 

analysed primarily by IR spectroscopy, with additional analyses using UV/visible spectroscopy 

during the photoageing of polymers (ISO 10640; ISO (2011)). 

Biodegradability of plastic materials  in an aqueous medium  is given  in  ISO 14851 and  ISO 

14852 (ISO, 2018, 2019b). 

Biodegradability of plastic materials in soil is given in ISO 17566 (ISO, 2019c). Additionally ISO 

23517 (ISO, 2021b) or DIN EN 17033 (DIN, 2018) specify test methods and evaluation criteria 

for the ultimate aerobic biodegradation of mulch films.  

ISO  22403  (ISO,  2020b)  specifies  test  methods  and  evaluation  criteria  for  the  marine 

environment. Biodegradability of plastic materials  in  seawater  is  given  in  ISO  23977  (ISO, 

2020d, e) or  seawater/sediment  interface  in  ISO 18830  and 19679  (ISO, 2016a, 2020a) or 

sediment  in  ISO  22404  (ISO,  2019d). Additionally,  ISO  23832  (ISO,  2021c)  determines  the 

degradation rate and the disintegration degree, and ISO 22766 (ISO, 2020c) gives information 

for testing under real field conditions. 

Combination of weathering and  (bio)degradation has been described  for example  in ASTM 

D7991‐15. Framework is given in ASTM D6954‐18 (ASTM, 2018a). 

In addition, several guidelines are available to determine the biodegradation of plastic materials under 

anaerobic conditions, in sewage treatment plants, or during composting. 

Page 12: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 12 of 36  

 

3.1 Weathering 

When  a  polymeric material  is  exposed  under  natural  outdoor weathering  or  artificial weathering 

conditions, UV radiation and other moderate environmental stresses can result in a chemical ageing, 

and a change in physical properties. 

Several  standard  test  systems  (ISO and ASTM) have been developed  to  consider and evaluate  the 

effects of weathering. For example  ISO/TS 19022 presents a method of  controlled acceleration of 

laboratory weathering by increased irradiance. 

In  ISO/TS  19022  (ISO,  2016b),  “the  base  level  test  shall  use  weathering  parameters  (irradiance, 

temperatures, relative humidity) which are not above a maximum natural level (e.g. irradiance in the 

wavelength  range  300  nm  to  400  nm  smaller  than  66 W/m2). As  a  second  step,  the  irradiance  is 

increased step by step above the natural level.” In this test the test results (property changes) should 

be plotted as a function of the radiant exposure. 

The changes during photoageing can be followed by determining  

changes in colour (ISO 4582; ISO (2017))  

other methods for appearance, mechanical or other properties; for example tensile properties 

can be determined using ISO 527 (ISO, 2019a). 

chemical changes by weathering are analysed primarily by  IR spectroscopy, with additional 

analyses using UV/visible spectroscopy during the photoageing of polymers (ISO 10640; ISO 

(2011)).  

3.2 Freshwater 

Biodegradability of plastic materials in an aqueous medium can be determined according to ISO 14851 

and  ISO  14852.  The  first  one  is  using  oxygen  consumption  and  the  second  one  carbon  dioxide 

evolution, but the guidelines are in principle equivalent. 

ISO 14851 (BOD) or 14852 (CO2): 

20–25 °C (±1 °C), 

inoculum from WWTP, use suspended solids in the range of 30 mg/l to 1000 mg/L in the final 

mixture 

duration: maximum 2 month 

test material: 100 mg/l TOC; preferably powder (< 250 µm) but also films, pieces, fragments 

and shaped articles 

reference  material:  aniline  and/or  well‐defined  biodegradable  polymer  (microcrystalline 

cellulose, ashless cellulose filters, or poly‐β‐hydroxybutyrate): validity criteria > 60% at end, 

negative control: non-biodegradable polymer (e.g. PE)  result: degree of mineralization 

Page 13: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 13 of 36  

 

3.3 Soil 

Guideline for measurement of biodegradability of plastic materials in soil is available with ISO 17566 

(ISO, 2019c) and ASTM 5998 (ASTM, 2018b). Both guidelines are similar; in the ASTM it is mentioned 

that  it  is equivalent to  ISO 17556. Biodegradation  is determined by measuring oxygen demand  in a 

respirometer or the amount of carbon dioxide evolved. 

ISO 17556 (BOD or CO2): 

20‐28 °C (±2 °C) 

mature compost added to increase biomass (40 g/kg) 

duration: typically 6 month (up to 2 years);  

test material: 200 mg test material on 200 g soil, preferably powder (< 250 µm) but also films 

(5x5 mm), fragments and shaped articles 

reference material: well‐defined biodegradable polymer  {microcrystalline‐cellulose powder, 

ashless  cellulose  filters or poly‐(R)‐3‐hydroxybutyrate  [(R)‐PHB]):  validity  criteria:  > 60%  at 

plateau (ISO), > 70% in 120 days (ASTM), negative control non-biodegradable polymer (e.g. PE) 

result: degree of mineralization 

Additionally ISO 23517 (ISO, 2021b) or DIN EN 17033 (DIN, 2018) specify test methods and evaluation 

criteria for the ultimate aerobic biodegradation of mulch films. It should be noted that mulch films are 

(finished) articles not a substance. 

ISO 23517 or ISO 17033 (biodegradable mulch films):  

reference to ISO 17556 

without pre‐treatment by heat and or an exposure to radiation exposure 

result: > 90% absolute or relative to reference material 

ISO 23517 and  ISO 17033 are not describing  the  test method  in detail. They give  reference  to  ISO 

17566,  and  added  only  information  on  the  evaluation  criteria  and  requirements  regarding 

constituents. They address additionally the benchmarking to reference material such as cellulose. If 

possible, the physical form and size of the reference material should be comparable to that of the test 

material. Both the reference material and the test item shall be tested for the same length of time and 

the results compared at the same point in time. 

3.4 Marine environment 

Test methods and evaluation criteria  for  the assessment of  the  intrinsic biodegradability of plastic 

materials exposed to marine inocula under mesophilic aerobic laboratory conditions is specified in ISO 

22403  (ISO,  2020b).  The plastic material, polymer or  each organic  constituent  separately  shall be 

tested together with reference material and negative control according to one of the following marine 

biodegradation test methods:  ISO 18830,  ISO 19679,  ISO 22404, ASTM D6691‐17,  ISO 23977‐1,  ISO 

23977‐2. Biodegradability  is proven  if mineralisation absolute or relative to reference material  is at 

least 90 %. 

In ISO 23977 (ISO, 2020d, e) the methods are described for seawater. Part 1 determines the aerobic 

biodegradability  by  analysing  the  evolved  carbon  dioxide,  whereas  Part  2 measures  the  oxygen 

demand.  

Page 14: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 14 of 36  

 

ISO 23977 (BOD or CO2): 

preferably between 15 °C to 25 °C, but not exceeding 28 °C, to an accuracy of ±1 °C, in the dark 

or diffused light 

inoculum: 90 ml of natural seawater (“pelagic seawater test”) or 90 ml of natural seawater to 

which sediment of 0,1 g/l to 1,0 g/l (wet weight) has added (“suspended sediment seawater 

test”) 

test material: at least 100 mg/L (60 mg/L TOC); powder (< 250 µm) or film. Similar particle sizes 

of powder should preferably be used in the test; similar shapes and thicknesses of the films 

should preferably be used if different kinds of plastic materials are to be compared. 

reference material: microcrystalline cellulose or ashless cellulose filters, TOC, form, and size 

should  be  comparable  to  that of  the  test material,  validity  criteria  >  60%  after  180 days; 

negative control: non‐biodegradable polymer  (e.g. PE), same  form as  test material, validity 

criteria < 10% after 180 days 

duration: typically not exceed 1 year ( test may be extended, but not to longer than 2 years) 

result: degree of mineralization (mean value at plateau or highest value) 

ISO  18830  and  19679  (ISO,  2016a,  2020a)  contain  the  methods  for  the  measurement  of  the 

biodegradation of non‐floating plastic material in seawater/sediment interface. Again, one for carbon 

dioxide evolved and one for oxygen demand. A standard for sediment is given with ISO 22404 (ISO, 

2019d), and this method uses the analysis of the carbon dioxide evolved. 

ISO 18830 (BOD), ISO 19679 (CO2): 

preferably between 15 °C to 25 °C, but not exceeding 28 °C, to an accuracy of ±2 °C, in the dark 

or diffused light 

inoculum: natural seawater and sediment with a water/sediment volume ratio between 3:1 

and 5:1 and a sediment layer of about 0.3 cm to 0.5 cm depending on the granulometry 

test  material:  at  least  100  mg/L  (ThOD  170  mg/L  or  TOC  60  mg/L),  150  –  300  mg/L 

recommended;  film  or  sheet,  similar  shapes  and  thicknesses  should  preferably  be  used  if 

different kinds of plastic materials are to be compared. (powder may be used but critical as 

difficult to keep the powder settled)  

reference material: ashless cellulose filters, TOC, form, and size should be comparable to that 

of the test material, validity criteria > 60% after 180 days; optionally negative control: non‐

biodegradable polymer  (e.g. PE),  same  form as  test material, validity criteria no  significant 

amount of BOD or < 10% after 180 days  

duration: typically not exceed 1 year (test may be extended, but not to longer than 2 years) 

result: degree of mineralization (mean value at plateau or highest value) 

ISO 22404 (CO2): 

preferably between 15 °C to 25 °C, but not exceeding 28 °C, to an accuracy of ±2 °C, in the dark  

inoculum: natural seawater/sediment and eliminate excess seawater before test 

test material: at least 25 mg/100g (TOC 15 mg/kg), 40‐75 mg/100 g recommended; preferably 

powder (< 250 µm) or as film or sheet, similar shapes and thicknesses should preferably be 

used if different kinds of plastic materials are to be compared.  

reference material: microcrystalline cellulose or ashless cellulose filters, TOC, form, and size 

should  be  comparable  to  that of  the  test material,  validity  criteria  >  60%  after  180 days; 

optionally negative control: non‐biodegradable polymer (e.g. PE), same form as test material, 

validity criteria no significant amount (< 10%) after 180 days  

duration: maximum 2 years 

result: degree of mineralization (mean value at plateau or highest value) 

Page 15: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 15 of 36  

 

Additionally, ISO 23832 (ISO, 2021c) gives  information about the test methods for determination of 

the degradation rate and the disintegration degree.  

Degradation rates are determined by linear regression of the plot of the measurements (mass, 

thickness  or  tensile  strength  at  break)  referred  to  the  respective  sampling  time  for  each 

sample. The regression shall be determined considering a period of at least 6 months with a 

minimum of 3 measured data points. All or one endpoint is used: erosion rate as decrease of 

thickness  (µm/d), or  the mass  loss  rate as decrease of mass per unit  time  (μg/day) or  the 

decrease  of mass  per  unit  time  per  unit  surface  area  (μg/day/cm2),  or  the  loss  of  tensile 

properties rate as the decrease of strength at break per unit time (Pa/day). 

Assessment of disintegration is carried out with samples protected within a pocket made with 

a <2 mm mesh non‐degradable net. The net prevents the  loss of particles with dimensions 

higher than 2 mm. Sampling at regular intervals over testing period of 2 years; at least three 

replicates. Degree of disintegration is calculated based on the percent of surface area loss and 

mass loss. 

Finally, ISO 22766 (ISO, 2020c) gives information for testing under real field conditions. 

3.5 Combination of weathering and biodegradation 

In a  limited number of standards weathering and (bio)degradation has been combined. But usually, 

the  standards  recommend  to measure  biodegradation,  physical  degradation  and/or mass  loss  in 

absence of sunlight. 

Standard Guide for Exposing and Testing Plastics that Degrade in the Environment by a Combination 

of Oxidation and Biodegradation  is given  in ASTM D6954‐18  (ASTM, 2018a). This guide presents a 

framework in which established ASTM standards are used in three tiers for accelerating and measuring 

the loss in properties and molecular weight by thermal and photooxidation processes. 

In  addition,  ASTM  D7991‐15,  which  is  the  Standard  Test  Method  for  Determining  Aerobic 

Biodegradation of Plastics Buried in Sandy Marine Sediment under Controlled Laboratory Conditions, 

requires plastics in a combination of water and sediment, with the option of light imitating day light 

and a temperature of 15–25 ± 2 °C (Meereboer et al., 2020).  

3.6 Summary 

Several  standards  have  been  developed  to  consider  the  specific  needs  of  plastic  and  polymeric 

material. These are mainly ISO or ASTM guidelines, which are often to a large extent identical and very 

similar. Thereby guidelines for measurement of the biodegradation of plastic material include different 

compartments, e.g. aqueous medium/surface water, marine water and sediment, and soil. 

The ISO (and ASTM) test guidelines are usually following the degradation via indirect sum parameters 

such as O2 consumption or CO2 evolution, i.e. mineralization. Relative high concentration of substance 

is used, and incubation at temperatures between 15 and 28 °C. Testing reference material is prescribed 

as validation criteria, e.g. cellulose is recommended in same shape and size comparable to that of the 

test material. As result, these standards provide the degree of mineralization at the plateaus or after 

a specific time; in addition, ISO 23517 and ISO 22403 give a benchmarking to reference material. 

The main message can be summarized as follows: 

Metrics  used  in  weathering  (accelerated  aging):  usually  based  on  changes  in  colour  or 

functionality such as tensile test. Chemical changes are measured via IR or UV/VIS 

Page 16: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 16 of 36  

 

Standard methods  on  biodegradation  of  plastic materials  usually  based  on mineralization 

(respirometry) 

Some standards available with further metrics on degradation rate  (erosion rate, mass  loss 

rate (mass or surface area), loss of tensile properties 

Limited standards available for combination of weathering with biodegradation or for real field 

conditions  

 

Page 17: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 17 of 36  

 

4 Fate of polymers in the environment 

Natural polymers are part of the environment, whereas synthetic polymers are intentionally produced 

by  mankind  as  such  to  take  advantage  of  their  properties  during  use  and  they  can  reach  the 

environment (intentionally or unintentionally) after this use. In this chapter the fate of the polymers 

in  the  environment  under  different  conditions  are  in  the  focus,  especially  the  similarities  and 

differences between natural and  synthetic polymers.  In  the  following available  information on  the 

presence,  the  distribution  and  degradation  pathway,  as  well  as  (bio)degradation  data  using 

standardized methods or non‐guideline methods will be presented and discussed. 

The biodegradation of unmodified, naturally occurring biopolymers in soils has long been a research 

interest. The biodegradation of modified biopolymers in soils has also been  investigated, but not as 

extensively  as  the  degradation  of  unmodified  biopolymers  (Polman  et  al.,  2020).  For  synthetic 

polymers, research was historically on the stability during use, but in recent years also many studies 

have been done on the (bio)degradation in different environmental compartments. 

4.1 Polymers in the environment 

As  mentioned  above  and  in  the  chapter  types  of  polymers,  natural  polymers  are  part  of  the 

environment, e.g. starch is produced for energy storage, chitin is part of the insect exosceleton, and 

cellulose, lignin, cutin are part of cell walls or plant cuticles, etc. For this reason, in the environment 

these biopolymers and/or  their  transformation products will be  found  in  the  top  layer of soil. The 

absolute  amount  is  a  result of  the  equilibrium between  emission  to  the  soil  and  the degradation 

processes.  

In recent years, synthetic polymers have been found in the environment in varying concentrations by 

several monitoring studies. For example,  in a study on German rivers microplastic particle numbers 

varies  from 2.9‐214 per m3, but  in other studies values up to > 104 per m3 are possible  (Burns and 

Boxall,  2018;  Triebskorn  et  al.,  2019). Microplastic  was  found  in  surface  waters  of  urban  rivers 

upstream and downstream of WWTP in mean particle number concentrations of 2.355 (±0.375) per m3 

and 5.733 (±0.850) per m3, respectively (McCormick et al., 2016). However, these numbers have to be 

considered  with  care  because  a  recent  interlaboratory  study  with  more  than  100  laboratories 

organised by  JRC  (Belz  et  al.,  2021)  proved  that  there  is  very  high  variability by quantification of 

microplastic from aqueous samples. Results obtained in the study on a reference sample don´t even 

show a common trend, which questions the general reliability of current microplastic quantification.   

Microplastic concentrations in sediment were 600,000‐fold higher than in water (Scherer et al., 2020). 

In the marine environment floating MP counts as high as 103‐104 per m3 are not uncommon in coastal 

regions  (Andrady, 2017). Topsoils near  roads and  industrial areas around Sydney  (Australia) might 

contain up to ~7% of microplastics by weight (Chae and An, 2018; Fuller and Gautam, 2016; Machado 

et al., 2018). No nanoplastics have been detected in natural environments to date (Jakubowicz et al., 

2021).  In  contrast Ali  et  al.  (2021)  concluded  that  some  studies  are  available which  reported  the 

occurrence of nanoplastics. 

Generally,  the  nature  of  polymers  being  multi‐constituent  substances,  or  even  UVCBs,  makes 

quantification extremely challenging. Relatively  few examples exist of  the quantification of specific 

polymers in environmental media, either in the laboratory or the field (ECETOC, 2020).  

Page 18: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 18 of 36 

4.2 Distribution and Degradation pathway of particulate polymer substances 

In the environment polymeric materials are often confronted to mechanical forces and/or weathering 

(UV,  heat, water). Weathering  of  plastics  eventually  leads  to  fragmentation  and  the  creation  of 

secondary microplastic (Andrady, 2017). Environmental weathering promotes formation of C‐O bonds, 

which promote  fragmentation or  further degradation. Consequences of weathering  is  a  yellowing 

discoloration, accumulation of oxidized moieties, and changes in crystallinity, which results finally in a 

change of mechanical properties (Andrady, 2017). 

These solid polymeric substances will behave and distribute differently to (single) soluble substances. 

If the density is lower than or near that of water it will float on the surface or marine water. However, 

the  plastic  particles  (debris)  becomes  encrusted  with  foulants,  increasing  in  density  as  fouling 

progresses. Once  the density exceeds  that of  (sea) water  it  can  sink well below  the water  surface 

(Andrady, 2011). In addition, atmospheric transport plays also a role in the distribution of microplastic 

particles (Allen et al., 2020; Allen et al., 2019; Lehmann et al., 2021; Trainic et al., 2020). 

Degradation of a particle  is usually understood  to be  the  shrinking of  the mass of a particle, and 

complete  degradation  of  the  particle  occurs  if  the  particle  completely  disappears.  Thereby,  the 

compounds are sometimes not completely mineralized but transformation products will be released 

into  the matrix. Moreover,  for macromolecules  built  by  recurring  building  blocks, we  can  expect 

probably a sequential degradation of chain  length resulting  in similar transformation products  (e.g. 

oligomere, monomere, etc.). On the other hand, we can expect also a disintegration or fragmentation 

of particles. In addition, change of the surface properties could be assigned to degradation of particles 

as well. 

According to RAC (ECHA, 2020), “mechanical degradation or fragmentation leads to decreased particle 

size and  increased surface area but cannot be counted as biodegradation. As a result of mechanical 

degradation plastic particles still remain and may accumulate in the environment.” If it can be shown 

that  disintegration  will  result  in  biodegradable  non‐persistent  particles,  fragmentation  can  be 

considered as a first step of plastic removal and accumulation may not be expected. 

One key point is that the starting point of polymer fragmentation and degradation is often photolysis 

and/or hydrolysis.  

Photolysis (UV radiation) is the most important process of weathering (Andrady, 2017). In this process 

the polymer or the additives such as the stabiliser can be oxidised especially  in the early phases of 

weathering. Oxidative degradation  in weathering also occurs primarily in the amorphous fraction of 

the plastic, and thus fragmentation tends to be in the amorphous fraction (Andrady, 2017). Weathering 

result also  in cross‐linking or chain  scission, which will  result  in a decrease and  increase of partial 

crystallinity, respectively (Andrady, 2017). Clearly, most conducive to rapid weathering degradation is 

exposure  in the beach zone; compared to exposures on beach the weathering of floating plastics  is 

considerably slower (Andrady, 2011, 2017). Even an extensively weathered, embrittled plastic material 

is no  guarantee of  subsequent biodegradability of  the meso‐ or microplastic  fragments  (Andrady, 

2011). 

Hydrolysis  as  initial  degradation  step  for biodegradable polymers  can be divided  in  chemical  and 

enzymatic  hydrolysis  (Brueckner  et  al.,  2008;  Su  et  al.,  2019).  Enzymes  preferentially  attack  the 

amorphous parts (Brueckner et al., 2008), and amorphous or less‐ordered regions degrade more easily 

than crystalline regions (Su et al., 2019). For Poly(3‐hydroxybutyrate‐co‐3‐hydroxyvalerate) (PHBV) the 

introduction  of  3‐hydroxyvalerate  has  a  greater  amorphous  region,  resulting  in  an  increased 

degradation  rate  (Meereboer et al., 2020). Enhancing  the wettability by blending  the matrix, may 

accelerate the hydrolytic degradation process. In conclusion, crystallinity and wettability will influence 

the biodegradation potential. 

Page 19: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 19 of 36  

 

In general, the process of polymer (bio)degradation can be divided into four steps: i) biodeterioration, 

ii) depolymerisation,  iii) bioassimilation,  and  iv) mineralisation  (Haider  et  al.,  2019).  The  first  step 

results in fragmentation of the polymer into smaller particles. Microbial enzymes then in turn catalyse 

the  depolymerisation  of  the  polymer  chain  into  oligomers,  dimers,  or monomers.  These  smaller 

molecules can then be taken up into microbial cells and degraded further (Wood, 2020).  

Degradation of any solid polymer can be divided  into  two  types: bulk erosion and surface erosion 

(Albright and Chai, 2021; Haider et al., 2019; Meereboer et al., 2020; Su et al., 2019).  In slow bulk 

degradation processes caused by chemical reactions like hydrolysis, small catalysts (e.g., organic acids) 

and  reagents  (here, water) diffuse  into polymer systems  (Su et al., 2019). This abiotic degradation 

functions as both bulk and surface degradation and is often used as a pre‐treatment to biodegradation. 

In general, bulk erosion is used for breaking the sample apart into smaller pieces (which enhances the 

rate  of  surface  erosion)  and  for molecular weight  reduction  (Meereboer  et  al.,  2020).  The  biotic 

(enzymatic)  degradation  is mainly  at  the  surface.  The  reason  is  that  enzymes  are  relatively  large 

particles and are unable to permeate the structure of polymers, in comparison to smaller chemicals, 

free  radicals  etc.  (Meereboer  et  al.,  2020;  Su  et  al.,  2019).  Zumstein  et  al.  (2018)  presents  an 

experimental approach to study polymer biodegradation in soils and to assess the key steps involved 

in this process: microbial polymer colonization, enzymatic depolymerisation on the polymer surface, 

and microbial uptake and utilization of the released low–molecular weight compounds. 

Recently  it  is also discussed  the  influence of  fungal enzymes by biodegradation of plastic material 

(ECETOC, 2020; Gladfelter et al., 2019; Kang et al., 2019; Sánchez, 2020; Zumstein et al., 2018) in both 

aquatic  (marine) and  terrestrial environments. A brief  review on  the degradation of plastics using 

enzymes from various sources are given by (Kaushal et al., 2021). 

Fungal enzymes play also a major role in the (bio)degradation of natural polymers. For example, starch 

is degraded by glycoside hydrolases, such as α‐amylase, β‐amylase, glucoamylase and α‐glucosidase, 

which are all specialised  in hydrolysing α‐ glycosidic bonds  (Polman et al., 2020; Warren, 1996).  In 

addition,  starch  can be made more  susceptible  to biodegradation by gelatinisation  (Polman et al., 

2020).  Fungi  and  eubacteria  form  the  largest  share  of  the  cellulolytic  (cellulose‐degrading) 

microorganisms  as well  (Kögel‐Knabner,  2002;  Polman  et  al.,  2020).  The  group  of  enzymes most 

responsible for extracellular cellulose degradation are cellulases, which will break the β‐glycosidic links 

(Warren,  1996).  For  the  degradation  of  lignin many  organisms  and  enzymes  are  involved, which 

reflects the complexity of lignin molecules (Polman et al., 2020). For this reason it is obvious that the 

biodegradation rate is slower. 

In  addition,  the  four  steps  (i)  biodeterioration,  ii)  depolymerisation,  iii)  bioassimilation,  and  iv) 

mineralisation) presented by Haider et al. (2019) are relevant for natural polymers or natural polymeric 

material as well. Thereby different processes including several enzymatic processes, photolyse/‐aging, 

hydrolyse, as well as bulk and surface erosion will be important to shorten and fragment the polymeric 

material,  and  finally mineralize natural polymeric material  and  substances. An  important  factor  is 

expected to be the wettability of the material. 

4.3 Degradation data  

Degradation data will usually obtained performing standardized test systems such as the OECD testing 

guidelines. For polymeric substances availability of studies following these standard biodegradation 

tests using OECD guidelines are  limited. Screening  tests  such as  ready biodegradable  test  systems 

according to OECD 301 are rare. Data on simulation studies according to OECD 307, 308 or 309 are not 

available or at least scarce.  

Page 20: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 20 of 36  

 

Several studies are available following ISO or ASTM standards, especially for biodegradable synthetic 

polymers. In ISO standards, reference substance are for example microcrystalline cellulose or ashless 

cellulose  filters  and  polyethylene  (PE)  is  suggested  as  negative  control.  For  this  reason  for  these 

substances many study results may be available. 

Non‐guideline studies often only provide results on mass loss, or loss of functionality as indication for 

degradation. 

Several compilations of available degradation data have been presented in recent reviews such as 

Kjeldsen et al. (2019) based on data compilation from Emadian et al. (2017) 

Burgstaller et al. (2018), which  is a UBA report (cited  in EPA network report (EPA network ‐ 

Interest group on Plastics, 2018)) 

Polman et al. (2020) covering natural polymers and modified biopolymers 

Some further degradation data from primary literature partly cited in these reviews are available as 

well (e.g., Arcos‐Hernandez et al. (2012); Gómez and Michel (2013); Hashimoto et al. (2002); Kögel‐

Knabner (2002); Meereboer et al. (2020); Thevenot et al. (2010), etc.)  

Further  relevant  literature  data  using  standardized methods  in  soil  are  available  from Novamont 

(Briassoulis et al., 2020; Chinaglia et al., 2018; Pischedda et al., 2019; Tosin et al., 2019) and EU projects 

(KBBPPS, 2015; Open‐Bio, 2016). These studies investigated: 

Starch based (Mater‐Bi), PHB, PBSe 

ASTM 5998 and ISO 17556 (mineralization in soil) 

Influence of surface area, temperature 

Data  for water soluble polymers such as PEGs and some blends are available  from Bernhard et al. 

(2008), Eubeler et al. (2010), Duis et al. (2021). 

Direct comparison between different natural and synthetic materials using the same test set‐up are 

available from Gómez and Michel (2013) and McDonough et al. (2017).  

An overview of available  field/mesocosms studies  for soil,  freshwater and marine water  is given  in 

Burgstaller et al. (2018). This includes for example also information from the Open‐Bio project (Open‐

Bio, 2016; Tosin et al., 2012). As any transformation product or CO2 cannot be captured, in such test 

systems mostly only disintegration is measured, followed by mass loss, change of the surface of the 

particles, or by visual  inspection. However, Hennecke et al.  (2018) presented a  lysimeter  study of 

cationic polyacrylamide copolymers (PAMs) using radiolabelled polymer and thus mass balance was 

possible. This study shows that there was practically no vertical movement of polymer but a significant 

reduction of the polymer backbone chain length could be measured over time, which would not be 

detectable by any of the current ISO standard tests. 

Available  degradation  data  (using  standardized methods)  has  been  compiled  in  an  excel  file  (see 

Annex). 

4.3.1 Natural polymers  

The (bio)degradation of unmodified, naturally occurring biopolymers in soils has long been a research 

interest. However, results from OECD testing guidelines (screening and simulation studies) are scarce 

and mainly information using ISO tests or non‐guideline studies are available. Nevertheless some data 

on natural polymers have been compiled in reviews on bioplastics especially for cellulose and starch. 

In addition, cellulose (microcrystalline of as ashless filter material)  is the reference material for  ISO 

tests.  

Page 21: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 21 of 36  

 

Overview about degradation pathway and available data for natural polymers (starch, cellulose, lignin) 

are  given  by  Polman  et  al.  (2020).  The  review  by  Kögel‐Knabner  (2002)  contains  a  table  with 

information on biodegradability (percentage mineralization at different time points up to 28 weeks) of 

natural substances in soil. Detailed information on the method is missing. Review of the fate of lignin 

in soil is presented by Thevenot et al. (2010). In addition, some data are available for natural products, 

e.g., rice hull, coconut coir, wheats straw, walnut shells, etc. (Gómez and Michel, 2013; Kögel‐Knabner, 

2002; McDonough et al., 2017). 

Following results can be summarized for selected natural polymers: 

Cellulose 

Degradation studies in freshwater (activated sludge), seawater or soil available 

Recommended reference substance for ISO tests (validity criterion > 60% in 6 month, results 

usually higher) 

Relative fast degrading natural polymer 

Some  laboratory studies  in soil exist with plateau at about 70% mineralization  (Gómez and 

Michel, 2013); other  result  in higher values  (Briassoulis et al., 2020; Chinaglia et al., 2018; 

Kögel‐Knabner, 2002; Martin and Haider, 1986; Pischedda et al., 2019; Tosin et al., 2019) 

Starch:  

Biodegradation asymptotic; large fraction already degrades in soil within 3 days, but can take 

several weeks to year to be degraded entirely  

In  the  laboratory  starch  disappeared  (only  partly mineralized) within  35  days  in  soil  after 

incubation (Cheshire et al., 1969; Polman et al., 2020). Other studies show high mineralization 

(> 80%) in 12 weeks (Kögel‐Knabner, 2002; Martin and Haider, 1986). 

Degradation rates may be dependent on concentration; decreasing up to 50% when the starch 

present is <10% of the soil organic matter (SOM). Low starch concentrations, in combination 

with low activity of starch degrading organisms could lead to stabilisation of starch in the SOM 

fraction (German et al., 2011; Polman et al., 2020). 

Lignin: 

The information in the literature leads to slower degradation rates in comparison to cellulose 

or starch: 19–60% degradation has been observed in laboratory experiments for 13 weeks to 

2 years. Information on field studies is given with degradation up to 5 years. Other literature 

reported that lignin degradation takes years or decades (Polman et al., 2020; Thevenot et al., 

2010).  

Various variables and processes such as degradation or mineralization, as well as incorporation 

into SOM. Lignin turnover in soils could be faster than that of the total SOM. Degradation is 

related to the nature of vegetation and land‐use, but also to the climate and soil characteristics 

(Thevenot et al., 2010). 

Co‐metabolism with easily degradable carbon sources (sufficient energy, nutrients, enzymes) 

The  complex  structure  of  lignin makes  it  recalcitrant  to most  degradation methods  and 

continues to pose a critical challenge (Datta et al., 2017) 

 

Page 22: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 22 of 36  

 

In conclusion, the presented data about biodegradability of natural polymers are varying. The studies 

are  often  on  composting  or  field  studies  in  soil,  and  thus  are  not  according  to  standardized  test 

systems. As endpoint often mineralization, but also other endpoints such as mass loss. Nevertheless, 

natural polymers are usually more or less biodegradable. However, rate can vary and some are more 

difficult to be degraded (e.g. lignin, etc) reflecting the complexity of the substance. Information for all 

three  compartments  (soil,  aqueous,  marine)  for  the  same  polymer  are  scarce;  information  on 

degradation in sediment are often lacking. 

Natural  products  has  been measured  in  some  test  systems  as well.  In most  cases  these  are  less 

degradable in the test systems used in comparison to cellulose or starch. 

The review by Kögel‐Knabner (2002) presents for natural materials mineralization data (CO2 evolved) 

in soil at different time points up to 28 weeks. Whereas natural substances as glycine, glucose, cellulose 

or starch resulted in high mineralization (> 80%), other natural material such as walnut wood, almond 

shells, pine needles resulted in significant lower biodegradation potential (< 60%). Wheat straw shows 

a mineralization of about 67%, which confirms the lower potential of lignin in comparison to cellulose. 

Although it seems that it is more a screening test, the kinetic verifies that starch takes longer for the 

biodegradation in comparison to glucose. 

Additional results about natural products are presented below (chapter 4.3.4) 

4.3.2 Modified biopolymers 

Overview about degradation pathway and available data for modified natural polymers (Thermoplastic 

starch  (TBS),  Cellulose  acetate  (CA),  Lignin‐based  polymers)  in  comparison  to  the  corresponding 

natural  polymers  (starch,  cellulose,  lignin)  are  given  by  Polman  et  al.  (2020).  In  addition,  some 

degradation data are available for starch blends. 

Polman et al.  (2020) concluded  that especially  in TPS, where only a higher  level  structural change 

occurs  during  the  bioplastic making  process,  biodegradation mechanisms  and  rates  are  virtually 

similar. Changes  in  the biodegradation process are caused by changes  in  the chemical structure of 

biopolymers, as occurs during the acetylation of cellulose to produce CA. 

In  conclusion, modifications  of  natural  polymers  can  result  in  intended  significant  structural  and 

morphological changes, which may have a significant influence on the necessary processes (enzymes) 

and thus on the biodegradation potential. 

4.3.3 Synthetic polymers 

Limited  information  is available using  specific standards  (ISO, ASTM)  for classical polymers such as 

polyolefins  (PE,  PP),  PS  or  PET  etc.  However,  several  non‐guideline  studies  and  field  studies  are 

additionally available suggesting that these substances are only marginal biodegradable. 

For water soluble polymers, the degradation potential depends on the molecular weight, as shown for 

polyethyleneglycols (Bernhard et al., 2008; Eubeler, 2010). PEGs are more accessible to biodegradation 

than Homo- and copolymers of acrylic acid or Polyquaterniums (Duis et al., 2021). 

As a good overview about biodegradable  synthetic polymers, Burgstaller et al.  (2018)  summarized 

following information: 

Time of biodegradation strongly depends on the environmental conditions:  

Biodegradable under conditions of “industrial compostability“ (58 ± 2 °C, max. 6 month):  

TPS, PHA, PCL:        ca. 4‐6 weeks  

Page 23: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 23 of 36  

 

PLA, PBAT, PBST:       ca. 6‐9 weeks  

PBS:           ca. 21 weeks 

Biodegradable in soil (20‐28 °C, max. 2 years):  

TPS, PHA, PBSe, PBSeT, PBAT, PCL:   ca. 7‐12 month  

PLA:           no degradation after 1 year 

Biodegradable in fresh water (20‐25 °C, max. 56 days)  

TPS, PCL, PHA:        <56 days 

PBS, PBSA:         ca. 3 month  

PLA, PBAT:         >1,5 years 

Biodegradable in seawater (30 °C, max. 6 month)  

PHA, PCL, TPS, PBSe:       <6 month  

PLA, PBAT:        >1,5 years 

4.3.4 Examples for comparison of degradation data 

In  the  chapters  above,  available  degradation  data  for  natural  and  synthetic  polymers  using 

standardized methods have been presented. For comparing natural and synthetic polymers, literature 

data are preferred, which compares the degradation potential using the same method. The number of 

studies are very  limited. Direct comparison between different natural and synthetic materials using 

the same test set‐up are available from Gómez and Michel (2013) and McDonough et al. (2017).  In 

addition, the review by Kögel‐Knabner (2002) contains a table with information on biodegradability of 

natural materials in soil (see above).  

McDonough et al., 2017: (modified) OECD 301B, activated sludge 

McDonough et al. (2017)  investigated the degradation potential of natural materials and PHBV as a 

synthetic polymer using a (modified) OECD 301 B test system. 

The natural material were applied as microparticles, milled, or as powder. The organic carbon content 

and the particle size of the different materials have been specified. Some of the natural materials show 

significantly different degradation kinetics than others. Although the particle size of blueberry seed 

was larger (100% > 500 µm), the material shows a higher degradation potential than walnut shells with 

the main  particle  fraction  between  250  –  500  µm,  for which  negligible mineralization  has  been 

observed  in  this  test system.  In contrast,  the  results  indicate a very high degradation potential  for 

jojoba wax of a similar particle size as walnut shells. 

The synthetic PHBV has been applied in different particle sizes. As a fine powder the biodegradation is 

similar to the reference substance sodium benzoate, whereas with higher particle sizes the adaptation 

phase is a slightly prolonged, but the substance is still well biodegradable. 

Gomez and Michel, 2013: Biodegradability in soil 

The biodegradation of natural materials in soils was determined based on ASTM 5998‐03 by Gómez 

and Michel  (2013). Although the guideline was meanwhile revised, the test results produced some 

interesting conclusions. 

The biodegradation potential of  the  reference material  (cellulose paper) was  relatively high  (with 

about 60‐70% within 300 days). In contrast using the same test system, coconut coir, rice hull or peat 

Page 24: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 24 of 36  

 

fibre + wood pulp show only a plateau between 10‐40%, which was reached relatively quickly (< 100 

days). This  indicates  that the slow degrading material contains some constituents which are hardly 

mineralized, and thus will be potentially persistent or incorporated into the biomass. 

For PHA a similar maximum biodegradation value within the incubation of 660 days has been observed 

as for the reference cellulose. The blends of synthetic polyesters with corn starch such as Plastarch 

have shown a lower biodegradation potential. And the classical polymers such as PP, PS and PET have 

shown no significant biodegradation.  

4.3.5 Summary  

The available data indicate that the result are varying on the structural and morphological properties 

of the polymers. Thereby it doesn’t matter if natural, modified, or synthetic. Synthetic polymers are 

often  not  biodegradable  in  sufficient  time  in  terms  of  the  protection  goal  especially  the  classical 

polymers, but can be  in some cases ready biodegradable as well, whilst natural polymers are often 

relatively fast degrading. However, some natural polymeric materials are relatively stable reflecting 

the complexity of the respective substance and the intended function in nature.  

The main data are available on ISO or ASTM methods (mineralization) or using non‐guideline studies. 

The  latter  studies  often  only  provide  results  on mass  loss,  or  loss  of  functionality  (indication  for 

degradation). Some data are available for natural polymers such as cellulose or starch, due to the fact 

that  these materials are used as positive  reference  in  the  ISO or ASTM  test systems. For synthetic 

polymers data are usually available rather for biodegradable polymers than for clearly expected non‐

biodegradable polymers. Especially  for presumably  (very) stable polymers, biodegradation data are 

rare. Often only non‐guideline studies to consider effect of weathering and disintegration are available. 

 

Page 25: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 25 of 36  

 

5 Comparison natural and synthetic polymers 

Both natural and  synthetic polymers, are  formed by polymerization of  small molecules.  Similar  to 

synthetic  polymers,  natural  polymers  can  have  significant  different  structural  and morphological 

descriptors and physico‐chemical properties. These are attributed to the polymer’s molecular size as 

well as 2D and 3D structure (linear, branched, crosslinked, and networked polymers). An  important 

factor  is e.g. expected  to be  the wettability of  the material. These properties  in  turn will  result  in 

different  (bio)degradation kinetics, e.g.  some natural polymers are hydrolytically more  stable  than 

others.  

Natural and  synthetic polymers will undergo  several processes  for biodegradation.  In general,  the 

process  of  polymer  (bio)degradation  can  be  divided  into  four  steps:  i)  biodeterioration,  ii) 

depolymerisation, iii) bioassimilation, and iv) mineralisation (Haider et al., 2019). The first step results 

in  fragmentation of  the polymer  into  smaller pieces. Microbial  enzymes  then  in  turn  catalyse  the 

depolymerisation of the polymer chain into oligomers, dimers, or monomers. These smaller molecules 

can be taken up into microbial cells and degraded further (Wood, 2020). Fungal enzymes play a major 

role  in the (bio)degradation of natural polymers. Several enzymatic processes and abiotic processes 

such as photolysis/‐aging, hydrolysis, as well as bulk and surface erosion will be important to shorten 

and fragment the polymeric material, and finally bring natural polymeric material and substances back 

in the natural carbon cycle.  

Limited  number  of  study  results  available  for  natural  and  synthetic  polymers  using  standardized 

methods (OECD testing guidelines or polymer specific ISO standards). Literature are preferred, which 

compares the degradation potential of different polymer sources using the same method.  

Natural polymers 

often only data on weight loss available 

cellulose and starch biodegradable; reference substance for ISO methods 

other natural polymers / natural materials potentially more stable reflecting the complexity of 

the materials (e.g. lignin) 

fragmentation by weathering; hydrolysis as an important fragmentation process; influence of 

wettability 

(fungal) enzymes play an important role in biodegradation 

Synthetic polymers 

only limited number of ISO tests available (mainly for biodegradable polymers)  

results for blends can overestimate the biodegradation potential if parts are not biodegradable 

(similar to multi‐constituent substances or UVCB) 

fragmentation by weathering; hydrolysis relevant (e.g. for esters) but also additional processes 

such as deacetylation 

enzymes have a major role as well 

For both, natural and synthetic polymers, the surface area is important for the biodegradation kinetic. 

Smaller particles or fragments have a larger surface area, and thus a higher probability to be attacked. 

For this reason, rate‐determining is often but not in all cases the first step, i.e. fragmentation due to 

physical  forces or due  to  enzymatic processes.  In  this  context weathering parameters  (irradiance, 

temperatures, and relative humidity) are very important for natural and synthetic polymers. If natural 

polymers  are  manufactured  synthetically  with  the  same  structure,  the  same  biodegradability  is 

Page 26: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 26 of 36  

 

expected.  In  this  special  case  biodegradability  is  not  a  question  of  natural  or  synthetic 

“manufacturing”. 

Natural polymers are regarded as no concern in the environment. Thus, natural polymers are excluded 

from the restriction proposal for intentionally added microplastic. As stated in the Annex to the Annex 

XV  report  “Polymers  that  occur  in  nature  can,  by  default,  be  considered  to  be  inherently 

(bio)degradable in the environment and not contribute to the microplastic concern” (ECHA, 2020). The 

available  results  on  biodegradation  indicate  that  some  natural  polymers  might  be  even  ready 

biodegradable as sufficiently shown for microcrystalline cellulose. However, it is expected that many 

natural polymers will not be mineralized in sufficient time to meet Annex XIII persistence criteria. The 

timeframe of the presence in different compartments could be also highly variable depending on the 

type of polymer and the environmental conditions.  

In  conclusion, natural polymers  are  considered  inherently biodegradable by  default by  ECHA  (see 

above) and Annex XIII persistence criteria don´t apply to natural polymers. That makes it difficult to 

use natural polymers as  reference  for  testing of  synthetic polymers, because even  if  the  synthetic 

polymer degrades faster than a natural reference polymer,  it might fail the persistency criteria that 

does not apply to the natural reference polymer. In such case the faster degrading synthetic polymer 

might be assessed persistent while the natural reference  polymer that degrades much slower at the 

same conditions is not considered an environmental concern. 

What can we learn from natural polymers? 

Structures  of  the  natural  polymers  are  often  hydrolytically  instable,  e.g.  esters.  The  hydrolysis  is 

fostered by  specific enzymes,  so  that  the microorganism or  fungi  can use  the polymers as energy 

source or for its biomass. All polymers which are hydrolytically more stable needs additional factors 

(e.g. specific enzymes) to be degraded in sufficient time in terms of the protection goal. If the effort to 

get  this  energy with  specific  enzymes  is  unfavourable,  for  example  as  long  as  other  sources  are 

available, biodegradation of the polymer will slow down. 

Biodegradation  is  a  stepwise  process.  After  biotic  and/or  abiotic  fragmentation,  conversion  into 

oligomers,  dimers,  or monomers  by  depolymerisation  occurs, which will  be  degraded  further  by 

microorganisms and fungi. 

In  the  environment  natural  polymers  (biopolymers)  and/or  their  transformation  products will  be 

mostly  found  in  the  top  layer of  soil. The absolute amount  is a  result of  the equilibrium between 

emission  to  the  soil and  the degradation processes. The emission depends on  the vegetation, and 

degradation potential  is related to the nature of vegetation, climate and  land‐use as well. Adapted 

microorganism, i.e. bacteria and fungi will be found depending on the sources of energy, the climate 

and soil characteristics. 

For natural polymeric materials such as wood, the degradation will be  longer than for the polymer 

(substance)  itself such as cellulose or  lignin. The reason  is the unfavourable surface to volume ratio 

and thus limited accessibility to be attacked by UV, water, temperature, or microorganism. As soon as 

the natural materials are fragmented to small pieces (e.g. chipped wood, sawdust etc.) the degradation 

time will decrease. However, wood and even leaves can exist in forest for years after a tree has died 

in dry conditions and it is typically removed by fungal degradation. Furthermore even chipped wood 

will exceed ECHA persistence criteria. This is due to the intended function of wood in nature as skeletal 

material. Rapid degradation would not allow trees to grow as they are found  in nature. Lignin even 

protects woody cell walls against microbial attack (Kögel‐Knabner 2002). 

This  is backed up by  the  literature on comparison studies of milled natural material with synthetic 

polymers (see chapter 4.3.4) which indicate that in some cases the natural polymer and material will 

be ultimately biodegradable, and  in other cases not. Often slow degrading material contains some 

Page 27: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 27 of 36  

 

constituents which are hardly mineralized, and thus will be potentially persistent or incorporated into 

the biomass.  

Page 28: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 28 of 36  

 

6 Conclusion 

Several  types  of  polymers  are  on  the market  and  different  possibilities  exist  to  categorize  these 

polymers. Besides  the grouping based on structural, morphological properties, or physico‐chemical 

properties, the polymers could be grouped based on the source: natural polymers (or biopolymers), 

modified biopolymers and synthetic polymers. Another option is to (sub)group the synthetic polymers 

into bio‐based and fossil‐based polymers. Finally, the polymers could be grouped into biodegradable 

and  not  biodegradable.  Thereby  grouping  as  bioplastic  is misleading.  Bioplastics  are  bio‐based  or 

biodegradable or both (European Bioplastics, 2018). For this reason not all bioplastic are biodegradable 

per definition. 

Polymers exist  in nature as well. These so called natural polymers  (or biopolymers)  include natural 

rubber, cellulose, hemicellulose, starch, lignin, chitin, cutin. Sometimes natural polymers are used as 

food additives such as glucomannan, agar, pectin, inulin, rosin, guar gum, locust bean gum, gum acacia, 

karaya gum, gum tragacanth, alginates, carageenans, psyllium and xanthum gum. Natural polymers 

are  often  polysaccharides  or  its  derivatives with weak  α‐glycosidic  bonds  or  stronger  β‐glycosidic 

linkages, but could have also different structural linkages and a high variety of molecular weights, i.e. 

more complex polymers are available such as lignin. The natural polymers could exist crystalline, semi‐

crystalline or amorphous, are often  insoluble, and  can be hydrophilic but also hydrophobic. Thus, 

different structural and morphological descriptors and physico‐chemical properties can be assigned. 

Based on these descriptors and properties, some natural polymers are expected to be hydrolytically 

more stable than others. It is obvious that they will have different potential for (bio)degradation. 

Natural and synthetic polymers undergo several processes for biodegradation. In general, the process 

of polymer (bio)degradation can be divided into four steps: i) biodeterioration, ii) depolymerisation, 

iii) bioassimilation, and iv) mineralisation (Haider et al., 2019).  

Large number of studies have been carried out to investigate biodegradation of polymeric substances 

and material using non‐guideline methods. These studies often only provide results on mass loss, or 

loss of  functionality, which both are  indeed an  indication  for degradation.  In  recent years,  several 

standards  have  been  developed  to  consider  the  specific  needs  of  testing  plastic  and  polymeric 

material. These are mainly ISO or ASTM guidelines, which are often very similar. Thereby guidelines 

for measurement  of  the  biodegradation  of  plastic material  include  different  compartments,  e.g. 

aqueous medium/surface water, marine water  and  sediment,  and  soil.  The  ISO  (and  ASTM)  test 

guidelines are usually following the degradation via indirect sum parameters such as O2 consumption 

or CO2 evolution(=mineralization). Relative high concentration of substance is used and incubation at 

temperatures between 15 and 28 °C. Testing reference material is prescribed as validation criteria, e.g. 

cellulose is recommended in same shape and size comparable to that of the test material. As result, 

these  standards  provide  the  degree  of mineralization  at  the  plateaus  or  after  a  specific  time;  in 

addition, ISO 23517 and ISO 22403 give a benchmarking to reference material. These standards can be 

regarded as similar to screening test systems, especially enhanced test systems, under the standard 

persistence assessment scheme. ISO methods (or ASTM) are also available to consider the weathering 

processes, or real field conditions, and frameworks to combine weathering and biodegradation. Some 

standards are available with further metrics on degradation rate such as erosion rate, mass loss rate 

(mass or surface area), loss of tensile properties. 

Based on these standards, the available information and understanding of biodegradation of polymeric 

substances and materials is increasing. Some data are available for natural polymers such as cellulose 

or starch, due to the fact that these materials are used as positive reference in the ISO or ASTM test 

systems. For synthetic polymers data are usually available rather for biodegradable polymers than for 

clearly  expected  non‐biodegradable  polymers.  For  the  latter  polymers,  often  only  non‐guideline 

Page 29: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 29 of 36  

 

studies are available to consider effect of weathering and disintegration. Especially for (very) stable 

polymers, biodegradation data are rare.  

The main message on data availability can be summarized as follows: 

Metrics used for available (bio)degradation data (laboratory as well as mesocosm/field tests): 

respirometry, mass loss or specific surface degradation rate (SSDR), tensile test. 

Standard  methods  on  biodegradation  of  polymers  are  usually  based  on  mineralization 

(respirometry) only 

Limited number of  studies according  to  ISO methods  (soil or water),  very  limited data  for 

sediment 

Data with simulation studies are rare 

The available data indicate that the result are varying on the structural and morphological properties 

of  the  polymers.  Thereby  it  doesn’t matter  if  the  polymer  origin  is  natural, modified  natural,  or 

synthetic.  Synthetic  polymers  are  often  not  biodegradable  in  short  time  especially  the  classical 

polymers, but can be in some cases readily biodegradable as well, whilst natural polymers are often 

relatively  fast  degrading.  However,  some  natural  polymeric  materials  are  very  stable  against 

biodegradation reflecting the complexity of natural polymers and its function in natural systems. 

The results of actual available screening tests indicate that many natural polymers must be regarded 

as being not readily biodegradable or even not inherently biodegradable, in the sense of an inherent 

biodegradation test (OECD 302). Indeed, current simulation tests are missing and thus the ability to 

come to a final conclusion on persistency for such materials. However, there  is no doubt that many 

natural polymeric materials will fail the persistence trigger values for PBT assessment given in Annex 

XIII of  the REACH  regulation  (EC, 2011).  It  is  the  intention of nature  to  form  resilient materials  for 

example for protection or skeletal constructions of organisms. Natural polymers are not considered an 

environmental concern and they are not subject to persistency assessment. Additional properties such 

as the emission pattern, (bio)accessibility or bioavailability, and a host of real life factors which are not 

currently  included  in  (bio)degradation  studies  (e.g.  light,  temperature  extremes, physical damage, 

ingestion, inadvertent exclusion of competent fungal organisms, etc.) play a major role in the fate of 

these natural polymers.  

The  conclusion which  can  be  drawn  is  that,  applying  the  REACH Annex  XIII  criteria many  natural 

polymers have  to be  regarded as P/vP. But  those  criteria don´t apply and  they are  considered no 

concern  for  the  environment  for  good  reasons.  But  this  needs  to  be  recognized when  assessing 

synthetic polymers, many of which would fulfil the P/vP criteria as well. For such synthetic polymers it 

would be important to establish polymer specific criteria to enable an adequate hazard assessment.  

 

This document is part of a series of reports produced as part of the Cefic‐LRI ECO52 project: ‘Expanding 

the  conceptual  principles  and  applicability  domain  of  persistence  screening  and  prioritization 

frameworks, including single constituents, polymers, and UVCBs.’ 

Page 30: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 30 of 36  

 

7 Acknowledgements 

We would like to thank members of the project research team Graham Whale (Whale Environmental 

Consultancy Ltd), Michael Klein and  Judith Klein  (Fraunhofer  IME), Chris Hughes  (Ricardo Energy & 

Environment) for their valuable contributions to this work. We would also like to thank the monitoring 

team for their oversight and helpful input to the project. 

Page 31: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 31 of 36 

8 References 

Albright, V.C., 3rd, Chai, Y., 2021. Knowledge Gaps in Polymer Biodegradation Research. Environ Sci Technol 55, 11476‐11488. 

Ali, I., Cheng, Q., Ding, T., Yiguang, Q., Yuechao, Z., Sun, H., Peng, C., Naz, I., Li, J., Liu, J., 2021. Micro‐ and nanoplastics in the environment: Occurrence, detection, characterization and toxicity – A critical review. Journal of Cleaner Production 313. 

Allen, S., Allen, D., Moss, K., Le Roux, G., Phoenix, V.R., Sonke, J.E., 2020. Examination of the ocean as a source for atmospheric microplastics. PLoS One 15, e0232746. 

Allen, S., Allen, D., Phoenix, V.R., Le Roux, G., Durántez Jiménez, P., Simonneau, A., Binet, S., Galop, D., 2019. Atmospheric transport and deposition of microplastics in a remote mountain catchment. Nature Geoscience 12, 339‐344. 

Andrady, A.L., 2011. Microplastics in the marine environment. Mar Pollut Bull 62, 1596‐1605. Andrady, A.L., 2017. The plastic in microplastics: A review. Mar Pollut Bull 119, 12‐22. Arcos‐Hernandez, M.V., Laycock, B., Pratt, S., Donose, B.C., Nikolić, M.A.L., Luckman, P., Werker, A., 

Lant, P.A., 2012. Biodegradation in a soil environment of activated sludge derived polyhydroxyalkanoate (PHBV). Polymer Degradation and Stability 97, 2301‐2312. 

ASTM, 2018a. ASTM D6954‐18 ‐ Standard Guide for Exposing and Testing Plastics that Degrade in the Environment by a Combination of Oxidation and Biodegradation. 

ASTM, 2018b. D5988 ‐ 18 ‐ Standard Test Method For Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials in Soil. 

Belz, S., Bianchi, I., Cella, C., Emteborg, H., Fumagalli, F., Geiss, O., Gilliland, D., Held, A., Jakobsson, U., La Spina, R., Mėhn, D., Ramaye, Y., Robouch, P., Seghers, J., Sokull‐Kluettgen, B., Stefaniak, E., Stroka, J., 2021. Current status of the quantification of microplastics in water ‐ Results of a JRC/BAM inter‐laboratory comparison study on PET in water, EUR 30799 EN. Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2021, ISBN 978‐92‐76‐40957‐1, doi:10.2760/27641, JRC125383. 

Bernhard, M., Eubeler, J.P., Zok, S., Knepper, T.P., 2008. Aerobic biodegradation of polyethylene glycols of different molecular weights in wastewater and seawater. Water Res 42, 4791‐4801. 

Briassoulis, D., Dejean, C., 2010. Critical Review of Norms and Standards for Biodegradable Agricultural Plastics Part Ι. Biodegradation in Soil. Journal of Polymers and the Environment 18, 384‐400. 

Briassoulis, D., Mistriotis, A., Mortier, N., Tosin, M., 2020. A horizontal test method for biodegradation in soil of bio‐based and conventional plastics and lubricants. Journal of Cleaner Production 242. 

Briggs, D.E.G., 1999. Molecular taphonomy of animal and plant cuticles: selective preservation and diagenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B: Biological Sciences 354, 7‐17. 

Brueckner, T., Eberl, A., Heumann, S., Rabe, M., Guebitz, G.M., 2008. Enzymatic and chemical hydrolysis of poly(ethylene terephthalate) fabrics. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 46, 6435‐6443. 

Burgstaller, M., Potrykus, A., Weißenbacher, J., Kabasci, D.S., Merrettig‐Bruns, D.U., Sayder, B., 2018. Study on the treatment of biodegradable plastics. 

Burns, E.E., Boxall, A.B.A., 2018. Microplastics in the aquatic environment: Evidence for or against adverse impacts and major knowledge gaps. Environ Toxicol Chem 37, 2776‐2796. 

Chae, Y., An, Y.J., 2018. Current research trends on plastic pollution and ecological impacts on the soil ecosystem: A review. Environ Pollut 240, 387‐395. 

Cheshire, M.V., Mundie, C.M., Shepherd, H., 1969. Transformation of 14C glucose and starch in soil. Soil Biology and Biochemistry 1, 117‐130. 

Chinaglia, S., Tosin, M., Degli‐Innocenti, F., 2018. Biodegradation rate of biodegradable plastics at molecular level. Polymer Degradation and Stability 147, 237‐244. 

Datta, R., Kelkar, A., Baraniya, D., Molaei, A., Moulick, A., Meena, R., Formanek, P., 2017. Enzymatic Degradation of Lignin in Soil: A Review. Sustainability 9. 

Page 32: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 32 of 36 

DIN, 2018. EN 17033 ‐ Plastics – Biodegradable mulch films for use in agriculture and horticulture – Requirements and test methods; German version EN 17033:2018. 

Duis, K., Coors, A., 2016. Microplastics in the aquatic and terrestrial environment: sources (with a specific focus on personal care products), fate and effects. Environ Sci Eur 28, 2‐2. 

Duis, K., Junker, T., Coors, A., 2021. Environmental fate and effects of water‐soluble synthetic organic polymers used in cosmetic products. Environ Sci Eur 33. 

EC, 2011. COMMISSION REGULATION (EU) No 253/2011 of 15 March 2011 amending Regulation (EC) No 1907/2006 of the European Parliament and of the Council on the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (REACH) as regards Annex XIII. 

ECETOC, 2020. Applicability of Analytical Tools, Test Methods and Models for Polymer Risk Assessment.  Technical Report No 133‐2. European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, p. 150. 

ECHA, 2012. Guidance for monomers and polymers, Version 2.0.  Guidance, vol. Guidance for the implementation of REACH. European Chemicals Agency, Helsinki, Finland, p. 26p. 

ECHA, 2020. RAC and SEAC opinion on an ANNEX XV RESTRICTION REPORT PROPOSAL FOR A RESTRICTION  for intentionally added microplastics. 

Emadian, S.M., Onay, T.T., Demirel, B., 2017. Biodegradation of bioplastics in natural environments. Waste Management 59, 526‐536. 

EPA network ‐ Interest group on Plastics, 2018. Biodegradable Plastics Approaches and experiences from 16 Members of the EPA Network. In: Maier, N. (Ed.), https://epanet.eea.europa.eu/reports‐letters/reports‐and‐letters/ig‐plastics_working‐paper_biodegradable‐plastics.pdf/view. 

Eubeler, J.P., 2010. Biodegradation of Synthetic Polymers in the Aquatic Environment.  BASF, vol. Dr. rer. nat. . Universität Bremen, Bremen, p. 209p. 

Eubeler, J.P., Bernhard, M., Knepper, T.P., 2010. Environmental biodegradation of synthetic polymers II. Biodegradation of different polymer groups. Trac‐Trends in Analytical Chemistry 29, 84‐100.

Eubeler, J.P., Zok, S., Bernhard, M., Knepper, T.P., 2009. Environmental biodegradation of synthetic polymers I. Test methodologies and procedures. TrAC Trends in Analytical Chemistry 28, 1057‐1072. 

European Bioplastics, 2018. What are bioplastics? ‐ Material types, terminology, and labels – an introduction. 

Fuller, S., Gautam, A., 2016. A Procedure for Measuring Microplastics using Pressurized Fluid Extraction. Environ Sci Technol 50, 5774‐5780. 

German, D.P., Chacon, S.S., Allison, S.D., 2011. Substrate concentration and enzyme allocation can affect rates of microbial decomposition. Ecology 92, 1471‐1480. 

Gladfelter, A.S., James, T.Y., Amend, A.S., 2019. Marine fungi. Current biology : CB 29, R191‐R195. Gómez, E.F., Michel, F.C., 2013. Biodegradability of conventional and bio‐based plastics and natural 

fiber composites during composting, anaerobic digestion and long‐term soil incubation. Polymer Degradation and Stability 98, 2583‐2591. 

Haider, T.P., Volker, C., Kramm, J., Landfester, K., Wurm, F.R., 2019. Plastics of the Future? The Impact of Biodegradable Polymers on the Environment and on Society. Angewandte Chemie‐International Edition 58, 50‐62. 

Hashimoto, K., Sudo, M., Ohta, K., Sugimura, T., Yamada, H., Aoki, T., 2002. Biodegradation of nylon4 and its blend with nylon6. Journal of Applied Polymer Science 86, 2307‐2311. 

Haske‐Cornelius, O., Pellis, A., Tegl, G., Wurz, S., Saake, B., Ludwig, R., Sebastian, A., Nyanhongo, G., Guebitz, G., 2017. Enzymatic Systems for Cellulose Acetate Degradation. Catalysts 7. 

Hennecke, D., Bauer, A., Herrchen, M., Wischerhoff, E., Gores, F., 2018. Cationic polyacrylamide copolymers (PAMs): environmental half life determination in sludge‐treated soil. Environ Sci Eur 30, 16. 

ISO, 2011. ISO 10640 ‐ Plastics — Methodology for assessing polymer photoageing by FTIR and UV/visible spectroscopy. 

ISO, 2012. ISO 10210 ‐ Plastics – Methods for the preparation of samples for biodegradation testing of plastic materials. 

Page 33: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 33 of 36  

 

ISO, 2016a. ISO 18830 ‐ Plastics — Determination of aerobic biodegradation of non‐floating plastic materials in a seawater/ sandy sediment interface — Method by measuring the oxygen demand in closed respirometer. 

ISO, 2016b. ISO/TS 19022 ‐ Plastics — Method of controlled acceleration of laboratory weathering by increased irradiance. 

ISO, 2017. ISO 4582 ‐ Plastics — Determination of changes in colour and variations in properties after exposure to glass‐filtered solar radiation, natural weathering or laboratory radiation sources. 

ISO, 2018. ISO 14852 ‐ Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials in an aqueous medium ‐ Method by analysis of evolved carbon dioxide. 

ISO, 2019a. ISO 527‐1 ‐ Plastics — Determination of tensile properties — Part 1: General principles. ISO, 2019b. ISO 14851 ‐ Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials in 

an aqueous medium ‐ Method by measuring the oxygen demand in a closed respirometer. ISO, 2019c. ISO 17556 ‐ Plastics – Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic 

materials in soil by measuring the oxygen demand in a respirometer or the amount of carbon dioxide evolved (ISO 17556:2019);. 

ISO, 2019d. ISO 22404 ‐ Plastics — Determination of the aerobic biodegradation of nonfloating materials exposed to marine sediment — Method by analysis of evolved carbon dioxide. 

ISO, 2020a. ISO 19679 ‐ Plastics — Determination of aerobic biodegradation of non‐floating plastic materials in a seawater/sediment interface — Method by analysis of evolved carbon dioxide. 

ISO, 2020b. ISO 22403 ‐ Plastics — Assessment of the intrinsic biodegradability of materials exposed to marine inocula under mesophilic aerobic laboratory conditions — Test methods and requirements. 

ISO, 2020c. ISO 22766 ‐ Plastics — Determination of the degree of disintegration of plastic materials in marine habitats under real field conditions. 

ISO, 2020d. ISO 23977‐1 ‐ Plastics — Determination of the aerobic biodegradation of plastic materials exposed to seawater — Part 1: Method by analysis of evolved carbon dioxide. 

ISO, 2020e. ISO 23977‐2 ‐ Plastics — Determination of the aerobic biodegradation of plastic materials exposed to seawater — Part 2: Method by measuring the oxygen demand in closed respirometer. 

ISO, 2021a. ISO 5148 ‐ Plastics — Determination of specific aerobic biodegradation rate of solid plastic materials and disappearance time (DT50) under mesophilic laboratory test conditions. 

ISO, 2021b. ISO 23517 ‐ Plastics — Soil biodegradable materials for mulch films for use in agriculture and horticulture — Requirements and test methods regarding biodegradation, ecotoxicity and control of constituents. 

ISO, 2021c. ISO 23832 ‐ Plastics — Test methods for determination of degradation rate and disintegration degree of plastic materials exposed to marine environmental matrices under laboratory conditions. 

Jakubowicz, I., Enebro, J., Yarahmadi, N., 2021. Challenges in the search for nanoplastics in the environment—A critical review from the polymer science perspective. Polymer Testing 93. 

Kang, B.R., Kim, S.B., Song, H.A., Lee, T.K., 2019. Accelerating the Biodegradation of High‐Density Polyethylene (HDPE) Using Bjerkandera adusta TBB‐03 and Lignocellulose Substrates. Microorganisms 7, 304. 

Kaseem, M., Hamad, K., Deri, F., 2012. Thermoplastic starch blends: A review of recent works. Polymer Science ‐ Series A 54, 165‐176. 

Kaushal, J., Khatri, M., Arya, S.K., 2021. Recent insight into enzymatic degradation of plastics prevalent in the environment: A mini ‐ review. Cleaner Engineering and Technology 2. 

KBBPPS, 2015. Biodegradability‐standards‐assessment‐report. https://www.biobasedeconomy.eu/projects/kbbpps‐knowledge‐based‐bio‐based‐products‐pre‐standardization/. 

Khan, B., Bilal Khan Niazi, M., Samin, G., Jahan, Z., 2017. Thermoplastic Starch: A Possible Biodegradable Food Packaging Material—A Review. Journal of Food Process Engineering 40. 

Kjeldsen, A., Price, M., Lilley, C., Guzniczak, E., Archer, I., 2019. A Review of Standards for Biodegradable Plastics. Industrial Biotechnology Innovation Centre, p. 33p. 

Page 34: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 34 of 36 

Klemm, D., Heublein, B., Fink, H.P., Bohn, A., 2005. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angew Chem Int Ed Engl 44, 3358‐3393. 

Kögel‐Knabner, I., 2002. The macromolecular organic composition of plant and microbial residues as inputs to soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry 34, 139‐162. 

Lehmann, M., Oehlschlägel, L.M., Häusl, F.P., Held, A., Gekle, S., 2021. Ejection of marine microplastics by raindrops: a computational and experimental study. Microplastics and Nanoplastics 1. 

Machado, A.A.D., Kloas, W., Zarfl, C., Hempel, S., Rillig, M.C., 2018. Microplastics as an emerging threat to terrestrial ecosystems. Glob Chang Biol 24, 1405‐1416. 

Martin, J.P., Haider, K., 1986. Influence of Mineral Colloids on Turnover Rates of SoiI Organic Carbon  McCormick, A.R., Hoellein, T.J., London, M.G., Hittie, J., Scott, J.W., Kelly, J.J., 2016. Microplastic in 

surface waters of urban rivers: concentration, sources, and associated bacterial assemblages. Ecosphere 7. 

McDonough, K., Itrich, N., Casteel, K., Menzies, J., Williams, T., Krivos, K., Price, J., 2017. Assessing the biodegradability of microparticles disposed down the drain. Chemosphere 175, 452‐458. 

Meereboer, K.W., Misra, M., Mohanty, A.K., 2020. Review of recent advances in the biodegradability of polyhydroxyalkanoate (PHA) bioplastics and their composites. Green Chemistry 22, 5519‐5558. 

Nafchi, A.M., Moradpour, M., Saeidi, M., Alias, A.K., 2013. Thermoplastic starches: Properties, challenges, and prospects. Starch/Staerke 65, 61‐72. 

OECD, 1992. Test No. 301: Ready Biodegradability. OECD Publishing. Open‐Bio, 2016. WP5: in‐situ biodegradation. https://www.biobasedeconomy.eu/projects/open‐

bio/. Pischedda, A., Tosin, M., Degli‐Innocenti, F., 2019. Biodegradation of plastics in soil: The effect of 

temperature. Polymer Degradation and Stability 170. Polman, E.M.N., Gruter, G.M., Parsons, J.R., Tietema, A., 2020. Comparison of the aerobic 

biodegradation of biopolymers and the corresponding bioplastics: A review. Sci Total Environ 753, 141953. 

Riederer, M., Schonherr, J., 1988. Development of plant cuticles: fine structure and cutin composition of Clivia miniata Reg. leaves. Planta 174, 127‐138. 

Ruggero, F., Gori, R., Lubello, C., 2019. Methodologies to assess biodegradation of bioplastics during aerobic composting and anaerobic digestion: A review. Waste Manag Res 37, 959‐975. 

Sánchez, C., 2020. Fungal potential for the degradation of petroleum‐based polymers: An overview of macro‐ and microplastics biodegradation. Biotechnol Adv 40, 107501. 

Scherer, C., Weber, A., Stock, F., Vurusic, S., Egerci, H., Kochleus, C., Arendt, N., Foeldi, C., Dierkes, G., Wagner, M., Brennholt, N., Reifferscheid, G., 2020. Comparative assessment of microplastics in water and sediment of a large European river. Sci Total Environ 738, 139866. 

Su, S., Kopitzky, R., Tolga, S., Kabasci, S., 2019. Polylactide (PLA) and Its Blends with Poly(butylene succinate) (PBS): A Brief Review. Polymers (Basel) 11. 

Thevenot, M., Dignac, M.‐F., Rumpel, C., 2010. Fate of lignins in soils: A review. Soil Biology and Biochemistry 42, 1200‐1211. 

Tosin, M., Pischedda, A., Degli‐Innocenti, F., 2019. Biodegradation kinetics in soil of a multi‐constituent biodegradable plastic. Polymer Degradation and Stability 166, 213‐218. 

Tosin, M., Weber, M., Siotto, M., Lott, C., Degli Innocenti, F., 2012. Laboratory test methods to determine the degradation of plastics in marine environmental conditions. Front Microbiol 3, 225. 

Trainic, M., Flores, J.M., Pinkas, I., Pedrotti, M.L., Lombard, F., Bourdin, G., Gorsky, G., Boss, E., Rudich, Y., Vardi, A., Koren, I., 2020. Airborne microplastic particles detected in the remote marine atmosphere. Communications Earth & Environment 1. 

Triebskorn, R., Braunbeck, T., Grummt, T., Hanslik, L., Huppertsberg, S., Jekel, M., Knepper, T.P., Krais, S., Müller, Y.K., Pittroff, M., Ruhl, A.S., Schmieg, H., Schür, C., Strobel, C., Wagner, M., Zumbülte, N., Köhler, H.‐R., 2019. Relevance of nano‐ and microplastics for freshwater ecosystems: A critical review. TrAC Trends in Analytical Chemistry 110, 375‐392. 

Page 35: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 35 of 36 

Wang, C., Kelley, S.S., Venditti, R.A., 2016. Lignin‐Based Thermoplastic Materials. ChemSusChem 9, 770‐783. 

Warren, R.A., 1996. Microbial hydrolysis of polysaccharides. Annual review of microbiology 50, 183‐212. 

Wood, 2020. Scientific and technical support for the development of criteria to identify and group polymers for Registration/ Evaluation under REACH and their impact assessment. 

Zumstein, M.T., Schintlmeister, A., Nelson, T.F., Baumgartner, R., Woebken, D., Wagner, M., Kohler, H.P.E., McNeill, K., Sander, M., 2018. Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO2 and microbial biomass. Science Advances 4, eaas9024. 

Page 36: Comparison between natural and synthetic polymers | Cefic-Lri

Fraunhofer ITEM  Report: WP4 Comparison Polymer  page 36 of 36 

Annex: Degradation data 

Available degradation data (using standardized methods) has been compiled in an excel file.